Abstract
I composti termolabili associati alla longevità e i bioattivi polifenolici sono frequentemente soggetti a stress accoppiati di natura termica, ossidativa, di pH e meccanica durante la produzione (ad es. miscelazione ad alto taglio, omogeneizzazione ad alta pressione e spray drying), che possono accelerare la degradazione chimica e ridurre l'efficacia erogata. Sono pertanto necessari parametri quantitativi di stabilità rilevanti per il processo al fine di definire spazi di progettazione producibili e guidare strategie di formulazione protettive.[1–3]
I metodi della presente sintesi si concentrano sulle evidenze quantitative estratte da studi che riportano (i) transizioni termodinamiche/termiche mediante DSC/TGA (fusione, inizio della decomposizione, transizioni vetrose e comportamento di perdita di massa a stadi) e (ii) cinetiche di degradazione (modelli di pseudo-primo ordine/primo ordine, energie di attivazione di Arrhenius, dipendenze dal pH e misure del tempo di degradazione frazionaria) per precursori di NAD⁺ (NR/NRH/NMN), stilbenoids (sistemi correlati al resveratrol), flavonoids (quercetin, fisetin, rutin/esters) e curcuminoids.[4–11]
I risultati mostrano che diversi composti rappresentativi della longevità presentano strette finestre di processo termico in specifici stati fisici. Il Nicotinamide riboside chloride (NRCl) mostra un inizio di fusione a 120.7 ± 0.3 °C con una rapida decomposizione post-fusione (ad es. 98% di degradazione a 130 °C tramite qNMR), mentre la degradazione acquosa segue una cinetica di pseudo-primo ordine con energie di attivazione di 75.4–82.8 kJ·mol⁻¹ a seconda del pH.[4]
Per il trans-resveratrol, le cinetiche di degradazione sono fortemente dipendenti dal pH e dalla temperatura (ad es. con un'emivita che si riduce da 329 giorni a pH 1.2 a 3.3 minuti a pH 10), e l'estrapolazione da test accelerati può essere non-Arrhenius in matrici di compresse.[7, 12]
Le operazioni unitarie ad alto taglio possono indurre riscaldamento locale e ambienti ossidativi, come dimostrato dall'omogeneizzazione ad alto taglio che aumenta la temperatura di uscita con la velocità di rotazione, coincidente con una perdita del 42.6% di ascorbic-acid a 20,000 rpm, e dai meccanismi di omogeneizzazione ad alta pressione che comportano taglio valvolare, cavitazione e turbolenza a >100 MPa.[13, 14]
Le conclusioni sottolineano l'importanza di integrare i dati di transizione termodinamica (DSC/TGA/Tg) con modelli cinetici (Arrhenius, non-Arrhenius e metodi isoconversionali) per produrre mappe tempo–temperatura–taglio e selezionare razionalmente strategie di mitigazione, tra cui incapsulamento, dispersioni solide amorfe, sistemi a base di ciclodestrine/nanospugne, controllo dell'ossigeno e minimizzazione del taglio/temperatura.[15–18]
Parole chiave: bioattivi termolabili; cinetiche di degradazione; Arrhenius; DSC; TGA; omogeneizzazione ad alta pressione; spray drying; precursori di NAD⁺
1. Introduzione
I composti di interesse per la longevità sono sempre più formulati come nutraceutici, alimenti funzionali e sistemi di somministrazione avanzati, determinando processi produttivi che espongono i principi attivi a sollecitazioni combinate, tra cui riscaldamento, contatto con l'ossigeno, attività dell'acqua, escursioni di pH e un intenso apporto di energia meccanica.[3, 5, 14, 19]
Per i precursori del NAD⁺, la stabilità in soluzione acquosa e allo stato solido è fondamentale, poiché la reattività può manifestarsi tramite l'idrolisi di motivi glicosidici o con legame fosfato, e poiché le temperature di processo possono superare le soglie di transizione dello stato solido che precedono una rapida decomposizione.[4, 6]
Per i polifenoli e i relativi principi attivi botanici, i limiti di stabilità includono l'autoossidazione, l'epimerizzazione e l'ossidazione enzimatica a chinoni, fenomeni sensibili a temperatura, pH, ioni metallici e disponibilità di ossigeno durante il processo.[17]
Un'implicazione pratica è che la progettazione del processo produttivo non può basarsi esclusivamente sulla temperatura nominale del bulk; deve invece integrare (i) indicatori termodinamici quali transizione vetrosa, fusione e inizio della decomposizione e (ii) modelli cinetici che colgano la dipendenza della degradazione da tempo, temperatura, pH, ossigeno e (laddove misurabile) apporto di energia meccanica.[4, 9, 10, 14, 15]
Questo documento sintetizza le evidenze quantitative su composti rappresentativi per la longevità e relativi bioattivi per i quali le fonti incluse forniscono esplicite transizioni termodinamiche e/o parametri cinetici, e associa tali dati ai profili di stress delle operazioni unitarie ad alto taglio, tra cui miscelazione ad alto taglio, omogeneizzazione ad alta pressione/microfluidizzazione, macinazione meccanochimica e spray drying.[1, 14, 15, 20]
2. Quadro termodinamico
La stabilità termodinamica nei contesti di produzione viene valutata operativamente utilizzando eventi termici misurabili (DSC/TGA) e descrittori di stato (ad es., amorfo vs cristallino; temperatura di transizione vetrosa) che indicano quando un composto o una formulazione transita verso stati con maggiore mobilità molecolare e, di conseguenza, velocità di reazione più elevate o meccanismi differenti.[4, 9, 15]
2.1 Energia libera di Gibbs e stabilità di fase
Diverse fonti incluse calcolano esplicitamente le variazioni dell'energia libera di Gibbs per i processi di degradazione o distruzione termica, fornendo una misura termodinamica della fattibilità in condizioni specifiche.[8, 19]
Per il borato di NR, la spontaneità della degradazione è stata valutata tramite il calcolo dell'energia libera di Gibbs, con un ΔG riportato pari a 2.43 kcal·mol⁻¹.[19]
Per la rutina e gli esteri della rutina con acidi grassi in condizioni pirolitiche, i valori di ΔG sono risultati positivi (84–245 kJ·mol⁻¹) insieme a ΔH positivi (60–242 kJ·mol⁻¹), indicando un profilo di pirolisi endotermico e non spontaneo nell'analisi riportata.[8]
In termini di formalismo cinetico, diverse fonti applicano anche relazioni dello stato di transizione e dell'energia libera, ad esempio utilizzando per interpretare l'attivazione dell'idrolisi in un sistema complesso di spiroborato di curcumina.[21]
2.2 Transizione vetrosa, fusione e inizio della decomposizione
DSC e TGA forniscono indicatori complementari del rischio di processo: gli eventi di fusione o rammollimento possono aumentare bruscamente la diffusione e consentire una rapida conversione chimica, e l'onset di perdita di massa alla TGA può indicare l'inizio di una decomposizione irreversibile anche nello stato apparentemente solido.[4, 9, 15]
Per l'NRCl, la DSC indica un onset di fusione a 120.7 ± 0.3 °C e un picco di fusione a 125.2 ± 0.2 °C, seguito da un immediato e marcato evento esotermico con un picco a 130.8 ± 0.3 °C.[4]
In linea con la sequenza degli eventi della DSC, la quantificazione mediante qNMR mostra una degradazione limitata a 115 °C (2%) ma una rapida perdita in corrispondenza e al di sopra della regione di fusione (7% a 120 °C; 55% a 125 °C; 98% a 130 °C; solo lo 0.45% di NR residuo a 140 °C).[4]
Per l'NMN, una fonte riferisce che il composto si decompone anziché mostrare una chiara transizione di fusione, con la decomposizione che inizia a 160 °C e si completa entro i 165 °C, e un picco DSC endotermico a 162 °C con un'entalpia di decomposizione di 184 kJ·mol⁻¹.[6]
Per la quercetina, l'interpretazione combinata DSC/TGA indica che un intenso picco endotermico alla DSC (massimo a 303 °C) viene comunemente attribuito in modo errato alla fusione, mentre la TGA indica che la decomposizione inizia a 230 °C e il picco endotermico si sovrappone a una perdita di massa continua; il "calore di fusione" riportato per il picco a 303 °C è di 69–75 kJ·mol⁻¹.[9]
Per la fisetina, la TGA mostra una lieve perdita di massa (~5%) attribuita all'evaporazione dell'acqua dal campione cristallino e un evento principale di perdita di massa (~30.6%) a 369.6 °C attribuito alla decomposizione della molecola.[15]
Per la curcumina sotto azoto inerte, uno studio riporta che la curcumina grezza mostra un processo di decomposizione complesso che inizia intorno a 240 °C (5% di perdita di massa) con un picco DTGA a 347 °C e il 37% di residuo rimanente a 600 °C (a 10 °C·min⁻¹).[18]
2.3 Stabilità amorfa e cristallina
Le formulazioni amorfe possono migliorare la solubilità e la biodisponibilità, ma possono alterare il comportamento termico e la stabilità aumentando la mobilità molecolare rispetto alle forme cristalline, rendendo la temperatura di transizione vetrosa (Tg) un parametro di stabilità critico.[15, 16]
Le dispersioni solide amorfe (ASD) di fisetina preparate per via meccanochimica mostrano valori di Tg misurabili nelle seconde scansioni di riscaldamento e dimostrano variazioni composizionali della Tg coerenti con la miscibilità: l'Eudragit® L100/EPO grezzo mostra una Tg di 147.1/55.4 °C, mentre le ASD di fisetina mostrano valori di Tg quali 144.2/71.8 °C e 145.9/76.7 °C a seconda del polimero e del carico di farmaco.[15]
Per le nanospugne di resveratrolo e ossiresveratrolo, la DSC mostra che il picco endotermico di fusione del resveratrolo (266.49 °C) scompare nelle formulazioni in nanospugne, il che viene attribuito dagli autori all'incapsulamento e alla possibile amorfizzazione delle molecole di farmaco all'interno della matrice di nanospugna.[16]
Per la quercetina, si ipotizza che il legame a idrogeno limiti il rammollimento simile alla fusione e faciliti la decomposizione attraverso l'indebolimento dei legami, e l'interpretazione combinata DSC/TGA conclude che la quercetina non si limita a fondere ma subisce una decomposizione e un rilassamento strutturale/rammollimento sovrapposti nell'intervallo 150–350 °C.[9]
3. Modelli e parametri di cinetica di degradazione
Le fonti incluse utilizzano una gamma di modelli cinetici (di primo ordine, di pseudo-primo ordine, di ordine superiore o forme sigmoidali) e trattamenti della dipendenza dalla temperatura (comportamento di Arrhenius e, in alcuni casi, non-Arrhenius), spesso motivati dalla dipendenza dal pH e da una complessa degradazione multi-via.[4, 7, 22]
3.1 Modelli dell'ordine di reazione
Una base di riferimento ampiamente utilizzata per la degradazione in fase liquida è il modello integrato di primo ordine, che compare in molteplici studi inclusi come interpolazione primaria dei dati concentrazione-tempo a pH e temperatura controllati.[4, 11, 12]
Per NRCl in soluzioni acquose tamponate, la degradazione è descritta come di pseudo-primo ordine, e questa forma di pseudo-primo ordine è giustificata dai sistemi tampone che mantengono le concentrazioni di OH⁻/H₃O⁺ in grande eccesso e approssimativamente costanti rispetto alla concentrazione di NR.[4, 23]
Per fisetin e quercetin in tampone fosfato, i risultati riportati sono presentati come costanti di velocità di degradazione di primo ordine k (h⁻¹) che aumentano fortemente con il pH e la temperatura.[24]
Per quercetin a 90 °C vicino al pH neutro (6.5–7.5), è stato implementato un modello sigmoidale e confrontato con un modello di primo ordine, con il modello sigmoidale che ha prodotto valori di k da 2.3 a 2.5× superiori rispetto alle interpolazioni di primo ordine e una diversa interpretazione dell'emivita a pH 7.5.[22]
Per i marcatori di estratti vegetali essiccati a spruzzo, sono stati riportati diversi ordini di reazione apparenti a seconda dei sistemi di eccipienti, inclusi modelli di ordine zero e di secondo ordine per kaempferol (attraverso sistemi binari di eccipienti) e un modello di secondo ordine per quercetin attraverso gli eccipienti.[20]
3.2 Trattamenti di Arrhenius ed Eyring
La dipendenza dalla temperatura è frequentemente modellata da espressioni di tipo Arrhenius, e molteplici fonti calcolano esplicitamente le energie di attivazione per parametrizzare le previsioni di shelf-life e l'esposizione termica di processo.[4, 10, 12]
Per la degradazione di NRCl in soluzione acquosa, le energie di attivazione di Arrhenius sono riportate come 75.4 (±2.9) kJ·mol⁻¹ a pH 2.0, 76.9 (±1.1) kJ·mol⁻¹ a pH 5.0 e 82.8 (±4.4) kJ·mol⁻¹ a pH 7.4.[4]
Per trans-resveratrol a pH 7.4, l'analisi di Arrhenius è riportata come log(kobs)=14.063−4425(1/T) (r = 0.97) con un'energia di attivazione calcolata di 84.7 kJ·mol⁻¹.[12]
Per curcumin in miscela tampone/metanolo a pH 8.0, l'analisi di Arrhenius tra 37 e 60 °C fornisce Ea=79.6±2.2 kJ·mol⁻¹.[10]
Per curcumin in terreni acquosi di rilevanza GI, i grafici di Arrhenius mostrano un'elevata linearità nell'intervallo 37–80 °C (valori di r² riportati come 0.9967, 0.9994, 0.9886 per i diversi terreni), con energie di attivazione riportate rispettivamente come 16.46, 12.32 e 9.75 kcal·mol⁻¹ per pH 7.4, pH 6.8 e HCl 0.1 N.[11]
L'analisi di Eyring compare anche nello studio della decomposizione idrolitica di un curcumin spiroborate ester (CBS), in cui viene riportato che un grafico di Eyring mostra una relazione lineare con correlazione 0.9988.[21]
3.3 Metodi isoconversionali e model-free
Diversi studi di degradazione termica applicano metodi isoconversionali (ad es., KAS, FWO, Friedman) per calcolare le energie di attivazione dipendenti dalla conversione e identificare in tal modo la decomposizione multi-stadio e i cambiamenti di meccanismo.[8, 18, 25]
Per rutin e rutin fatty-acid esters, le energie di attivazione variano in modo sostanziale con il grado di conversione nell'intervallo 0.05 < α < 0.90, con intervalli riportati da 65 a 246 kJ·mol⁻¹; gli autori interpretano questo risultato come prova che la degradazione termica procede attraverso un processo non semplice a stadi multipli.[8]
Per i clatrati di resveratrol–β-cyclodextrin, l'energia di attivazione aumenta con il grado di trasformazione, con incrementi riportati da 110 a 130 kJ·mol⁻¹ (metodo OFW) e da 120 a 170 kJ·mol⁻¹ (metodo Friedman), il che viene interpretato come indicativo di un cambiamento nel meccanismo di reazione con il procedere della decomposizione.[25]
Per i sistemi polimerici caricati con curcumin sotto azoto, le energie di attivazione derivate da molteplici approcci (Kissinger, KAS, Friedman e model-fitting) mostrano ampiezze ampiamente coerenti (ad es., 71 ± 5 kJ·mol⁻¹ secondo Kissinger; 77 ± 2 secondo KAS; 84 ± 3 secondo Friedman) e la selezione del modello indica un modello cinetico F1 con energie nell'intervallo 73–91 kJ·mol⁻¹.[18]
3.4 Degradazione termo-meccanica e ossidativa accoppiata
Le operazioni di produzione ad alto taglio possono accoppiare la dissipazione dell'energia meccanica al riscaldamento locale e a un maggiore trasferimento di ossigeno, amplificando così le vie guidate dall'ossidazione nei bioattivi sensibili all'ossigeno.[13, 14, 17]
Nell'omogeneizzazione ad alto taglio di un sistema di bevande, la temperatura di uscita aumenta notevolmente con la velocità di rotazione (ad es., da 4.1 ± 0.7 °C a 0 rpm a 41 ± 1.2 °C a 20,000 rpm) e alla velocità massima l'ascorbic acid è ridotto del 42.6%, coerentemente con una degradazione favorita da alte temperature e ossidazione.[13]
Nell'omogeneizzazione ad alta pressione (HPH), il meccanismo di processo è esplicitamente attribuito alla distribuzione dello sforzo di taglio in corrispondenza dell'orifizio della valvola, dove il moto del fluido viene interrotto, e a fenomeni aggiuntivi quali cavitazione, turbolenza, collisione e impatto, che insieme creano un intenso stress meccanico e potenzialmente ossidativo.[14]
L'accoppiamento ossidativo è dimostrato anche in esperimenti di ossidazione termica per quercetin: a 150 °C, la degradazione di quercetin procede più rapidamente sotto ossigeno rispetto all'azoto (costanti di velocità 0.868 h⁻¹ vs 0.253 h⁻¹) ed è fortemente accelerata in presenza di cholesterol e ossigeno (costante di velocità 7.17 h⁻¹), coerentemente con un accoppiamento a catena radicalica tra la formazione di cholesterol idroperossido e la degradazione di quercetin.[26]
Per NRH, l'ossigeno e la temperatura esercitano un forte controllo: a 25 °C in acqua DI, la velocità di degradazione riportata è di 1.27×10⁻⁷ s⁻¹ in aria (emivita di 63 giorni) rispetto a 5.90×10⁻⁸ s⁻¹ sotto N₂ (emivita di 136 giorni), e gli autori affermano che NRH può essere ossidato in presenza di ossigeno e si idrolizza rapidamente in condizioni acide.[5]
4. Analisi delle classi di composti
La sintesi focalizzata sui composti riportata di seguito evidenzia i parametri cinetici e termodinamici quantificati che possono essere utilizzati direttamente nei modelli di produzione, comprese le energie di attivazione, le costanti di velocità, le emivite, l'inizio della decomposizione e i vincoli legati alla transizione vetrosa o alla fusione.[4, 11, 12, 15, 24]
4.1 Precursori del NAD⁺
La stabilità dei precursori del NAD⁺ è fortemente condizionata dalla suscettibilità all'idrolisi e dalla bassa tolleranza ad alcune transizioni termiche (in particolare per NRCl nella regione di fusione) e all'ossidazione indotta dall'ossigeno (in particolare per le forme ridotte come NRH).[4, 5]
NRCl mostra una cinetica di degradazione di pseudo-primo ordine in soluzioni acquose e presenta energie di attivazione che variano con il pH (75.4–82.8 kJ·mol⁻¹), il che codifica quantitativamente sia la sensibilità termica che la dipendenza dal pH della via di idrolisi dominante.[4]
Viene proposta una base meccanicistica basata sull'idrolisi catalizzata da basi in cui NR diminuisce mentre la nicotinamide (Nam) e lo zucchero si accumulano, e vengono presentate evidenze di bilancio molare che indicano che per ogni molecola di NR che si degrada, si formano una molecola di Nam e una di zucchero.[4]
Nei fluidi GI simulati a temperatura e agitazione fisiologiche (paletta USP II a 75 rpm e 37 °C), NRCl mostra una perdita a breve termine relativamente limitata (ad es., ~97–99% residuo dopo 2 h nei mezzi gastrici), ma una diminuzione misurabile a lungo termine in una simulazione di 24 h (79.18 ± 2.68% residuo a 24 h, con 90.51 ± 0.82% residuo a 8 h).[4]
Allo stato solido, NRCl mostra una stretta finestra di temperatura tra l'inizio della fusione e la decomposizione rapida: la DSC riporta l'inizio della fusione a 120.7 ± 0.3 °C e un successivo evento esotermico a ~130.8 °C, mentre la qNMR quantifica un forte incremento della degradazione dal 2% a 115 °C al 98% a 130 °C.[4]
Una fonte inquadra esplicitamente questi dati come un "limite esplicito di temperatura superiore per la lavorazione di NRCl" che può influenzare la produzione di integratori nelle varie fasi, sottolineando la rilevanza delle soglie DSC/qNMR come vincoli rigidi nelle operazioni a caldo.[4]
NR borate introduce una strategia di stabilizzazione motivata dalla reattività di NR: NR è descritto come dotato di un legame glicosidico particolarmente instabile che unisce un eterociclo piridinio caricato positivamente a un carboidrato, rendendolo difficile da sintetizzare, conservare e trasportare, e la stabilizzazione con borato è descritta come dotata di un'elevata stabilità contro la degradazione termica e chimica.[19]
Quantitativamente, la solubilità di NR borate è fortemente dipendente dal pH (ad es., 1972.7 ± 15.4 mg·mL⁻¹ a pH 1.5; 926.0 ± 34.4 mg·mL⁻¹ a pH 7.4), e il modello di Arrhenius mostra velocità di degradazione più elevate a pH 7.4 rispetto a pH 1.5 o 5.0, in linea con l'influenza della concentrazione di HO⁻.[19]
La stessa revisione riporta un'energia libera di Gibbs per la degradazione di NR borate pari a 2.43 kcal·mol⁻¹ e rileva che un aumento di 10 °C raddoppia approssimativamente la velocità di degradazione in qualsiasi condizione di pH, riflettendo la sensibilità alla temperatura osservata per NRCl.[4, 19]
NRH mostra una pronunciata sensibilità al pH e all'ossigeno: viene riportata una degradazione completa in meno di un giorno a pH 5, mentre a pH 9 i campioni mostrano una degradazione del ~42–45% dopo 60 days, e a 25 °C in acqua DI all'aria si registra una degradazione del ~50% dopo 60 days rispetto al ~27% sotto N₂.[5]
Questa sensibilità all'ossigeno è attribuita meccanicisticamente all'ossidazione in presenza di ossigeno e all'idrolisi accelerata in condizioni acide, in linea con la descrizione di NRH como molecola instabile a causa del suo legame N-glicosidico e suscettibile di degradazione, idrolisi e ossidazione.[5]
Per NMN, i marcatori termodinamici quantitativi allo stato solido includono l'inizio della decomposizione riportato a 160 °C e il completamento entro 165 °C (con un picco endotermico DSC a 162 °C e un'entalpia di decomposizione di 184 kJ·mol⁻¹), e dati di stabilità accelerata che riportano un tasso di decomposizione dello 0.8% al mese a 40 °C e 75% RH.[6]
In soluzione acquosa, la degradazione di NMN è riportata come apparente di primo ordine a temperatura ambiente con un'equazione cinetica lg(Ct)=0.0057t+4.8172 e tempi riportati t0.9=95.58 h e t1/2=860.26 h, e lo studio afferma che la velocità di degradazione è influenzata principalmente dall'alta temperatura e dal pH.[27]
A supporto dei vincoli formulativi pratici, una fonte focalizzata sul prodotto raccomanda l'incorporazione al di sotto di 45 °C per prevenire la degradazione termica del phosphodiester bond e riporta una degradazione inferiore al 5% nei test accelerati a 40 °C/75% RH su 3 mesi per sistemi a basso contenuto d'acqua opportunamente formulati.[28]
La via principale di degradazione di NMN è descritta come l'idrolisi del phosphodiester linkage che produce nicotinamide e ribose-5-phosphate, con dipendenze dal pH descritte come idrolisi catalizzata da acidi al di sotto di pH 4.5 e scissione mediata da basi al di sopra di pH 7.5.[28]
4.2 Stilbenoidi
Gli stilbenoidi includono il resveratrol e i composti correlati che mostrano una marcata degradazione dipendente dal pH e dall'ossigeno, e la loro stabilità nelle formulazioni reali può deviare dalla semplice estrapolazione di Arrhenius a causa di effetti matrice e molteplici vie di reazione.[7, 12, 29]
Nei sistemi acquosi, il trans-resveratrol risulta stabile a pH acido, mentre la degradazione aumenta in modo esponenziale al di sopra di pH 6.8, e l'emivita diminuisce da 329 giorni a pH 1.2 a 3.3 minuti a pH 10.[12]
A pH 7.4, la cinetica di degradazione del trans-resveratrol segue un andamento di primo ordine alle temperature studiate, e l'energia di attivazione riportata è di 84.7 kJ·mol−1.[12]
Viene fornita una spiegazione meccanicistica secondo cui, a pH acido, i gruppi ossidrilici sono protetti dall'ossidazione radicalica dagli ioni H₃O⁺ carichi positivamente, mentre in condizioni alcaline gli ioni fenato aumentano la suscettibilità all'ossidazione e alla formazione di radicali fenossilici, e l'ossigeno nel mezzo promuove reazioni radicaliche che portano alla degradazione.[12]
Esperimenti indipendenti di stabilità termica in soluzione acquosa (19 mg·L−1) non riportano variazioni spettrali significative dopo 30 min fino a 70 °C, mentre temperature più elevate portano a una diminuzione generale dell'assorbanza a 304 nm e a una ridotta assorbanza nell'intervallo 270–350 nm, indicando una distruzione termicamente indotta in condizioni idrotermali.[30]
L'interpretazione meccanicistica di tali esperimenti idrotermali propone la scissione ossidativa del doppio legame e la formazione di prodotti di degradazione contenenti fenolo, come idrossialdeidi, alcoli e idrossiacidi, e le bande FTIR sono interpretate come coerenti con la formazione di aldeidi e acidi carbossilici a 100–120 °C.[30]
Nelle matrici di compresse, è riportato che la degradazione del resveratrol segua una cinetica monoesponenziale di primo ordine con valori di k pari a 0.07140, 0.1937 e 0.231 months−1 rispettivamente a 25, 30 e 40 °C, ma la relazione ln(k) vs 1/T è non lineare e classificata como super-Arrhenius, con gli autori che ipotizzano possibili reazioni secondarie, molteplici vie di reazione o effetti matrice a temperature più elevate.[7]
Lo stesso lavoro sottolinea che l'estrapolazione di Arrhenius non sempre consente di determinare la cinetica di degradazione del resveratrol negli integratori e che i test accelerati possono portare a stime errate, inclusa la sovrastima della degradazione.[7]
Per i composti fenolici di tipo stilbenico nei sistemi a secco, i trattamenti termici come la sterilizzazione a vapore a 121 °C per 20 min causano perdite misurabili (ad es. la pinosylvin è diminuita del 20.98% per area del picco) e l'essiccamento in stufa per 24 h a 105 °C produce riduzioni >50% dell'area del picco per diversi composti fenolici, mentre la TGA indica temperature di inizio decomposizione superiori a ~200 °C per i sistemi a base di pinosylvin.[31]
4.3 Flavonoids
I Flavonoids mostrano una sensibilità alla degradazione multi-pathway influenzata da pH, temperatura, oxygen e interazioni di formulazione come il legame proteico, e il loro comportamento termico in DSC/TGA può comportare la sovrapposizione di decomposizione e rammollimento piuttosto che una semplice fusione.[9, 22, 24]
In soluzioni tamponate, l'aumento del pH del mezzo da 6.0 a 7.5 incrementa le costanti di velocità di degradazione di fisetin e quercetin rispettivamente di 24 volte e 12 volte (ad es., k di fisetin da 8.30×10−3 a 0.202 h−1; k di quercetin da 2.81×10−2 a 0.375 h−1), e l'innalzamento della temperatura al di sopra di 37 °C aumenta sostanzialmente k (ad es., k di fisetin a 0.490 h−1 a 65 °C; k di quercetin a 1.42 h−1 a 65 °C).[24]
I co-ingredienti proteici possono mitigare la degradazione: con l'aggiunta di proteine, i valori di k misurati diminuiscono, incluso il k di fisetin che diminuisce da 3.58×10−2 fino a range inferiori di 1.76×10−2 h−1 e il k di quercetin che diminuisce da 7.99×10−2 fino a range inferiori di 3.80×10−2 h−1.[24]
Meccanicisticamente, l'instabilità chimica dei flavonoids è attribuita ai gruppi hydroxyl e a una struttura instabile del pyrone, e la stabilizzazione da parte delle proteine è attribuita principalmente a interazioni idrofobiche (con l'SDS che interrompe la stabilizzazione), con i contributi dei legami a idrogeno evidenziati come richiedenti futuri saggi quantitativi.[24]
Per quercetin a 90 °C vicino alla neutralità, la cinetica di degradazione mostra forti effetti del pH: k aumenta di circa cinque volte da pH 6.5 a 7.5, e vengono rilevati intermedi di ossidazione come quercetin quinone, con prodotti finali tipici che includono protocatechuic acid (PCA) e phloroglucinol carboxylic acid (PGCA).[22]
La descrizione meccanicistica attribuisce la prima perdita misurabile a 370 nm alla conversione di quercetin in quinone e suggerisce che la scissione dello scheletro del quinone produca composti fenolici più semplici con assorbanza limitata, mentre la deprotonazione alcalina accelera l'ossidazione influenzando la struttura o-diphenol del C-ring e del B-ring.[22]
In sistemi ad alta temperatura (150 °C), la degradazione e l'ossidazione di quercetin procedono rapidamente, con costanti di velocità riportate di 0.253 h−1 in nitrogen e 0.868 h−1 in oxygen e una forte accelerazione (7.17 h−1) in oxygen più cholesterol; sperimentalmente, la perdita di quercetin aumenta da 7.9% a 10 min (N₂) a 20.4% a 10 min (O₂), mentre in cholesterol + oxygen quercetin diminuisce fino a un residuo del 10.9% dopo 10 min.[26]
L'analisi termica indica inoltre che quercetin mostra un piccolo picco endotermico nell'intervallo 90–135 °C associato a una lieve perdita di massa (0.86 ± 0.33 wt.%), la decomposizione inizia a 230 °C, e un prominente endotermo DSC a 303 °C si sovrappone alla decomposizione; si sostiene che il legame a idrogeno limiti il comportamento simile alla fusione e faciliti al contempo la decomposizione indebolendo i legami chimici.[9]
Per rutin (un glicoside di quercetin) e i suoi esteri di fatty-acid, la TGA indica che rutin è termicamente stabile fino a 240 °C, mentre gli esteri mostrano temperature di degradazione iniziale inferiori (217–220 °C) e una maggiore perdita di massa in uno stadio principale, e le energie di attivazione variano con il grado di conversione da 65 a 246 kJ·mol−1.[8]
4.4 Curcuminoids
La degradazione di curcumin è fortemente pH-dipendente e coinvolge pathway ossidativi in molte condizioni acquose, mentre la decomposizione termica e le interazioni di formulazione possono spostare l'inizio della degradazione e i parametri cinetici apparenti.[10, 18, 32]
In miscele buffer/metanolo a 37 °C, viene riportato che la degradazione di curcumin segue una cinetica di primo ordine con un incremento drammatico di k_obs all'aumentare del pH (es. 3.2×10−3 h−1 a pH 7.0 vs 693×10−3 h−1 a pH 12.0), mentre a pH 5.0 curcumin risulta stabile negli esperimenti riportati.[10]
A pH 8.0, l'analisi di Arrhenius fornisce un valore di (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1, e l'estrapolazione a buffer acquoso suggerisce una rapida perdita in condizioni ossidanti (k_obs 280×10−3 h−1, t_(1/2)=2.5 h).[10, 32]
Le nanoformulazioni micellari rallentano drasticamente la degradazione: in micelle polimeriche e micelle di Triton X-100 a pH 8.0 e 37 °C, i valori di k_obs riportati si riducono a 0.9×10−3 e 0.6×10−3 h−1, con emivite di 777 ± 87 h e 1100 ± 95 h, che vengono indicate essere ~300–500 volte superiori rispetto a curcumin libero in buffer acquoso.[10]
Dal punto di vista meccanicistico, il lavoro incluso sostiene che la degradazione di curcumin non proceda tramite scissione idrolitica della catena, bensì attraverso un'ossidazione che produce un bicyclopentadione come prodotto finale, con la degradazione di 1 mol di curcumin associata al consumo di 1 mol di O₂ e con il primo step rappresentato dalla deprotonazione dei gruppi ossidrilici a pH superiore a 7.0.[10]
Uno studio di stabilità separato rilevante per il tratto GI riporta una cinetica apparente di primo ordine con elevata linearità (r² > 0.95) e fornisce energie di attivazione (in kcal·mol−1) che variano con il mezzo (maggiori a pH 7.4 rispetto a 0.1 N HCl), e riferisce che dopo 12 h a 37 °C, oltre l'80% rimaneva in 0.1 N HCl ma solo il 57% e il 47% rimanevano rispettivamente in phosphate buffers a pH 6.8 e 7.4.[11]
Ad alte temperature (180 °C), gli esperimenti di tostatura mostrano un'estrema termolabilità, con solo il 30% del curcumin iniziale rimanente dopo 5 minuti, e l'interpretazione meccanicistica collega la scissione ossidativa all'intermediazione di ferulic acid e a uno step di decarbossilazione accelerato dall'esposizione all'aria e da temperature più elevate.[33]
Gli studi di decomposizione termica di curcumin e di sistemi polimerici contenenti curcumin sotto azoto mostrano un comportamento complesso: la decomposizione del curcumin grezzo inizia intorno a 240 °C, mentre l'incorporazione di curcumin in blend di PGA/PCL sposta il massimo di degradazione del PGA a temperature inferiori (es. da 372 °C per il blend puro a 327 °C al 5% di curcumin), implicando che l'incorporazione di curcumin possa ridurre la stabilità termica della matrice.[18]
Lo stesso studio focalizzato sui polimeri collega questi risultati alla rilevanza industriale affermando che la lavorazione allo stato fuso richiede che siano garantite sia la stabilità chimica della matrice polimerica sia l'attività biologica dei farmaci incorporati, e che la lavorazione di PGA o blend di PGA/PCL con curcumin debba essere effettuata alla temperatura più bassa possibile per prevenire la degradazione del PGA.[18]
La stabilizzazione di curcumin in condizioni di emulsificazione ad alto taglio è quantificata anche in emulsioni di Pickering preparate utilizzando un miscelatore ad alto taglio a 22,000 rpm per 2 min: la conservazione a 20 °C al buio mostra che in una miscela olio-curcumin non incapsulata circa la metà del curcumin si degrada dopo 6 giorni e solo il 20% rimane dopo 16 giorni, mentre un sistema di emulsione di Pickering ne conserva il ~50% dopo 16 giorni ed estende l'emivita da 13 giorni a 28 giorni.[1]
Sotto esposizione UV (6 W, 365 nm), lo stesso sistema mostra una degradazione del ~50% dopo 9 h e solo il 20% rimanente dopo 24 h per la miscela oleosa, mentre l'emulsione di Pickering ne conserva il ~70% dopo 9 h e il ~45% dopo 24 h, ed estende l'emivita da ~13 h a ~27 h per una perdita del 50%.[1]
4.5 Tabella riassuntiva
La tabella seguente consolida i parametri cinetici e termodinamici rappresentativi riportati per diverse classi di composti, evidenziando i valori più direttamente utilizzabili per la modellazione di processo.
| Composto o sistema | Condizione | Parametro cinetico o termodinamico | Note per i modelli di processo |
|---|---|---|---|
| NRCl | Tamponi acquosi (pH 2.0, 5.0, 7.4), modello di Arrhenius | (E_a)=75.4±2.9 (pH 2.0), 76.9±1.1 (pH 5.0), 82.8±4.4 kJ·mol−1 (pH 7.4)[4] | Supporta la modellazione dell'accelerazione termica e dello spazio di progettazione dipendente dal pH[4] |
| NRCl | DSC e qNMR (riscaldamento a secco) | onset di fusione DSC 120.7 ± 0.3 °C; picco dell'esotermia di decomposizione 130.8 ± 0.3 °C[4]; degradazione al 55% a 125 °C e al 98% a 130 °C[4] | Indica una finestra di sicurezza ristretta per le operazioni allo stato solido a caldo in prossimità della fusione[4] |
| NRH | acqua DI a 25 °C, aria vs N₂ | k=1.27×10−7 s−1 (aria; t_(1/2)=63 d) vs 5.90×10−8 s−1 (N₂; t_(1/2)=136 d)[5] | Il controllo dell'ossigeno può raddoppiare approssimativamente l'emivita nelle condizioni testate[5] |
| NMN | Soluzione acquosa, temperatura ambiente | Apparente di primo ordine: lg(C_t)=0.0057t+4.8172; t_(0.9)=95.58 h; t_(1/2)=860.26 h[27] | Consente la stima della perdita di titolo durante le fasi di sosta in soluzione acquosa[27] |
| trans-Resveratrol | Dipendenza dal pH | Emivita 329 d a pH 1.2 vs 3.3 min a pH 10[12] | È richiesto un rigoroso controllo del pH durante la lavorazione in fase acquosa e i test di dissoluzione[12] |
| trans-Resveratrol | pH 7.4 Arrhenius | (E_a)=84.7 kJ·mol−1[12] | Utilizzato per la modellazione a temperature moderate; prestare attenzione laddove si verifichino comportamenti non-Arrhenius nelle matrici[7, 12] |
| Resveratrol in compresse | 25–40 °C, 60–75% RH | k=0.07140, 0.1937, 0.231 months−1 (25, 30, 40 °C)[7] | Devia da Arrhenius (super-Arrhenius), limitando l'estrapolazione dei test accelerati[7] |
| Fisetin, quercetin | Tampone fosfato | L'aumento del pH da 6.0→7.5 incrementa k di 24× (fisetin) e 12× (quercetin)[24] | Evidenzia la sensibilità al pH durante le operazioni unitarie in fase acquosa[24] |
| Curcumin | pH 8.0, Arrhenius | (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1[10] | Utile per prevedere la sensibilità alla temperatura nei mezzi neutro-basici[10] |
| Curcumin in micelle | pH 8.0, 37 °C | t_(1/2)=777±87 h e 1100±95 h (micelle) vs 2.5 h (tampone acquoso libero)[10] | Dimostra l'entità della stabilizzazione indotta dalla formulazione per le fasi di sosta/lavorazione[10] |
5. Operazioni unitarie di produzione ad alto taglio
La produzione ad alto taglio espone i composti termolabili a campi di stress meccanico che possono aumentare la temperatura, il trasferimento di ossigeno e l'area interfacciale, influenzando così sia la cinetica di reazione che i meccanismi dominanti, in particolare per i bioattivi sensibili all'ossigeno e al pH.[13, 14, 17]
5.1 Lavorazione allo stato fuso
La lavorazione allo stato fuso è evidenziata nei sistemi polimero-farmaco come uno scenario in cui devono essere preservate sia la stabilità del polimero che l'attività del farmaco, e viene esplicitamente affermato che la lavorazione allo stato fuso implica che la stabilità chimica della matrice polimerica e l'attività biologica dei farmaci incorporati debbano essere garantite.[18]
Nel sistema PGA/PCL–curcumina, l'incorporazione della curcumina influisce negativamente sulla stabilità termica del PGA, e gli autori raccomandano di operare alla temperatura più bassa possibile per prevenire la degradazione del PGA, collegando la caratterizzazione della stabilità termica alla progettazione del processo.[18]
5.2 Omogeneizzazione ad alta pressione e microfluidizzazione
L'omogeneizzazione ad alta pressione sottopone i fluidi a un elevato stress meccanico quando fluiscono attraverso una valvola a fessura stretta; in corrispondenza dell'orifizio, il fluido è sottoposto a un'azione di taglio e fenomeni aggiuntivi quali cavitazione, turbolenza, collisione e impatto contribuiscono agli effetti di taglio.[14]
L'HPH opera a pressioni elevate superiori a 100 MPa e può generare pressioni fino a 400 MPa, e la pressione applicata, il numero di cicli/passaggi e la temperatura di ingresso sono descritti come fattori chiave che influenzano l'estraibilità e la stabilità dei fitochimici.[14]
Quantitativamente, la review sull'HPH riporta esempi di variazioni composizionali quali diminuzioni graduali di acido L-ascorbico (1.7%, 4.6%, 10.7%) a 100, 200, 300 MPa e diminuzioni dei polifenoli (es. 10.6%, 6.0%, 1.4%) nel succo di mela a 100, 200, 300 MPa, illustrando come il livello di pressione possa correlarsi con le perdite di composti sensibili all'ossidazione a seconda della matrice e dell'attività enzimatica.[14]
Su scala formulativa, la microfluidizzazione può produrre emulsioni stabili con una ritenzione quantificata dei composti fenolici: per le emulsioni W/O/W, le condizioni ottimali del microfluidizzatore sono state riportate come 148 MPa e sette cicli, producendo goccioline di 105.3 ± 3.2 nm e un PDI di 0.233 ± 0.020, e dopo 35 giorni la ritenzione fenolica era del 68.6% con una ritenzione dell'attività antiossidante del 89.5%.[2]
Uno studio di incapsulamento separato riporta un approccio combinato di alto taglio e microfluidizzazione: le dispersioni liposomiali sono state omogeneizzate a 9500 rpm per 10 min e poi passate cinque volte attraverso un microfluidizzatore a 25,000 psi prima dello spray drying, dimostrando che sequenze industrialmente realistiche possono combinare il taglio e il successivo essiccamento termico.[3]
Le review sull'omogeneizzazione ad altissima pressione (UHPH) evidenziano lo shear estremo e gli impatti all'interno della valvola, con condizioni riportate quali fluidi pompati a più di 200 MPa (tipicamente 300 MPa) e un tempo di permanenza nella valvola inferiore a 0.2 s a Mach 3, con conseguente nano-frammentazione di microrganismi, colloidi e biopolimeri a 100–500 nm.[34]
5.3 Miscelazione ad alto taglio
La miscelazione ad alto taglio è spesso utilizzata come fase di pre-emulsionamento o dispersione e può essa stessa generare aumenti significativi di temperatura e ambienti ossidativi, influenzando così la degradazione ancor prima delle operazioni a valle.[13]
In un modello di bevanda, l'omogeneizzazione ad alto taglio per 10 min a velocità di rotazione crescenti ha aumentato la temperatura di uscita (da 4.1 ± 0.7 °C a 0 rpm a 41 ± 1.2 °C a 20,000 rpm) ed è stata associata a una sostanziale perdita di acido ascorbico (riduzione del 42.6% a 20,000 rpm).[13]
In un sistema di emulsione Pickering a base di curcumina, la miscelazione ad alto taglio a 22,000 rpm per 2 min è stata utilizzata per formare le emulsioni, dopodiché i miglioramenti di stabilità sono stati quantificati tramite una degradazione più lenta e un'emivita prolungata sia in condizioni di conservazione che sotto stress UV, collegando la strutturazione interfacciale ad alto taglio ai risultati di stabilità chimica.[1]
5.4 Macinazione meccanochimica
Il trattamento meccanochimico (es. macinazione a sfere) può produrre dispersioni solide amorfe e alterare la stabilità modificando la forma allo stato solido, miscelando a livello molecolare e consentendo forti interazioni intermolecolari come il legame a idrogeno.[15]
Per le ASD e inclusioni di fisetina, la macinazione è stata eseguita a temperatura ambiente con una frequenza di 30 Hz e un tempo di 20 min, e la successiva analisi TG/DSC è stata eseguita sotto azoto per quantificare la stabilità termica e il comportamento della Tg.[15]
5.5 Spray drying
Lo spray drying è descritto come una delle tecniche più comunemente utilizzate per produrre estratti vegetali secchi, e si afferma che le alte temperature durante lo spray drying abbiano effetti potenzialmente deleteri sui (poli)fenoli termolabili.[3, 20]
In uno studio di incapsulamento dei polifenoli, lo spray drying è stato eseguito con una temperatura dell'aria in ingresso di 150 ± 5 °C e una temperatura in uscita di 90 ± 5 °C, mentre gli autori affermano che la quantità di (poli)fenoli è diminuita a causa dell'esposizione all'ossigeno e al calore durante lo spray drying, motivando l'incapsulamento per preservare le proprietà funzionali.[3]
In uno studio di preformulazione di un estratto, le condizioni di processo dello spray dryer (temperatura di ingresso, portata dell'alimentazione, rapporto di biossido di silicio colloidale) sono state valutate per i loro effetti sulle risposte, e sono stati utilizzati i metodi di Arrhenius per determinare i parametri cinetici di decomposizione, tra cui l'ordine di reazione, il tempo di frazione decomposta e la costante di velocità.[20]
5.6 Tabella riassuntiva
La tabella seguente riassume i profili di stress e gli esempi di impatti quantitativi riportati per le operazioni unitarie che impongono un alto taglio e/o un'intensa esposizione termica.
| Operazione unitaria | Descrittori di stress riportati | Esempi quantitativi nelle fonti incluse | Implicazioni per i principi attivi termolabili |
|---|---|---|---|
| Miscelazione ad alto taglio | Velocità di rotazione; aumento della temperatura con la velocità[13] | La temperatura di uscita aumenta a 41 ± 1.2 °C a 20,000 rpm (10 min)[13]; acido ascorbico ridotto del 42.6% a 20,000 rpm[13] | Il riscaldamento indotto dal taglio può co-guidare l'ossidazione e la degradazione termica anche in assenza di riscaldamento esterno[13] |
| Omogeneizzazione ad alta pressione | Pressione >100 MPa; taglio della valvola; cavitazione/turbolenza[14] | Diminuzione dei polifenoli riportata a 100–300 MPa nei succhi (es. 10.6% a 100 MPa nel succo di mela)[14] | Richiede il controllo della temperatura di ingresso, dei passaggi, dell'ossigeno e dell'attività enzimatica per limitare le perdite guidate dall'ossidazione[14] |
| Microfluidizzazione | Pressione e numero di cicli[2] | 148 MPa e sette cicli producono goccioline di ~105 nm; ritenzione dei fenoli del 68.6% dopo 35 d di conservazione[2] | Consente sistemi di incapsulamento a piccole goccioline in grado di preservare i fenoli durante la conservazione e possibilmente la lavorazione a valle[2] |
| UHPH | >200 MPa (tipico 300 MPa); taglio/impatti estremi; tempo di permanenza nella valvola <0.2 s; temperatura locale della valvola spesso >75 °C[34] | Nanoframmentazione a 100–500 nm dichiarata[34] | Il tempo di permanenza estremamente breve può limitare la degradazione termica delle piccole molecole nonostante il riscaldamento locale, ma gli effetti di taglio/ossidazione devono essere convalidati per ciascun composto[34] |
| Macinazione meccanochimica | Frequenza e tempo; amorfizzazione e formazione di interazioni[15] | 30 Hz per 20 min hanno prodotto ASD di fisetina con valori di Tg misurabili ed evidenza di legami a idrogeno[15] | Può creare stati amorfi che modificano la stabilità; la Tg diventa un parametro di controllo chiave per la conservazione/lavorazione[15] |
| Spray drying | Temperature di ingresso/uscita; esposizione all'ossigeno/calore[3] | Ingresso 150 ± 5 °C e uscita 90 ± 5 °C utilizzati per polveri di estratto incapsulato[3] | L'esposizione termica e ossidativa può diminuire i (poli)fenoli; l'incapsulamento protettivo può migliorare la ritenzione e la bioaccessibilità[3] |
6. Modelli integrati di stabilità-processo
Le fonti incluse forniscono gli elementi costitutivi per un framework predittivo integrato in cui i risultati di stabilità sono calcolati a partire dalle storie termiche delle operazioni unitarie e dai microambienti chimico-fisici (pH, ossigeno, attività dell'acqua), rispettando al contempo le soglie di transizione termodinamica.[4, 14]
6.1 Mappatura tempo-temperatura-shear
Un approccio pratico di mappatura può utilizzare la cinetica (k, (E_a), emivita) insieme ai profili tempo-temperatura misurati o dedotti delle operazioni unitarie per calcolare la conversione attesa, utilizzando le soglie di transizione di stato (Tg, onset di fusione, onset di decomposizione) come confini che possono modificare i meccanismi o aumentare le velocità.[4, 15]
Ad esempio, un modello in fase liquida di pseudo-primo ordine per NRCl può essere parametrizzato utilizzando le energie di attivazione di Arrhenius (75.4–82.8 kJ·mol−1) e l'osservazione che un aumento di 10 °C raddoppia approssimativamente k_obs, consentendo la trasposizione da esperimenti in tampone validati a brevi escursioni termiche nel processo di produzione.[4]
Per curcumin, la sensibilità alla temperatura può essere parametrizzata utilizzando (E_a)=79.6±2.2 kJ·mol−1 a pH 8.0 e la forte dipendenza riportata di k_obs dal pH, che insieme consentono di prevedere le perdite durante le fasi di sosta in ambiente acquoso o di emulsionamento a caldo in cui il pH locale è neutro-basico.[10]
Per trans-resveratrol, il crollo dell'emivita indotto dal pH (da centinaia di giorni a minuti con l'aumentare del pH) implica che i risultati di stabilità durante la lavorazione possono essere dominati dal pH microambientale piuttosto che dalla temperatura del bulk, e la modellazione di Arrhenius a pH 7.4 può essere utilizzata per esposizioni a temperature moderate con (E_a)=84.7 kJ·mol−1.[12]
6.2 QbD e design space
L'interpretazione Quality-by-Design è supportata da studi che valutano esplicitamente come i parametri di processo e le matrici formulative alterino i meccanismi di degradazione, comprese le scoperte secondo cui i test accelerati possono non riuscire a prevedere la shelf life in caso di comportamento non-Arrhenius o di effetti matrice.[7, 29]
Per le compresse di resveratrol, la conclusione che gli approcci di Arrhenius possono sovrastimare la degradazione nei test accelerati motiva la definizione dei design space sulla base sia della comprensione meccanicistica sia di dati multi-temperatura, piuttosto che su una singola condizione accelerata.[7, 29]
Per i sistemi marker di flavonoid spray-dried, viene esplicitamente riportato che gli eccipienti influenzano l'ordine cinetico e i valori di tempo per la decomposizione frazionaria, indicando che la composizione della formulazione fa parte del design space di stabilità piuttosto che costituire un background fisso.[20]
6.3 PAT e specificità analitica
Un monitoraggio accurato del processo richiede specificità analitica poiché i prodotti di degradazione possono confondere i saggi spettroscopici più semplici, in particolare per i polyphenols.[12]
Per trans-resveratrol, la specificità di HPLC e UPLC è riportata come confermata, mentre la spettroscopia UV/VIS ha generato concentrazioni falsamente più elevate di trans-resveratrol in condizioni in cui non era stabile (pH alcalino, luce, temperatura elevata), sottolineando la necessità di metodi stability-indicating nell'analitica di processo.[12]
7. Strategie di mitigazione
Gli approcci di mitigazione nelle fonti incluse enfatizzano la limitazione dell'esposizione a fattori acceleranti noti (calore, ossigeno, pH elevato, UV) e l'uso di architetture formulative che riducono la mobilità molecolare, schermano le interfacce o collocano il principio attivo in microambienti meno reattivi.[10, 13, 17]
7.1 Incapsulamento e dispersioni
L'incapsulamento in sistemi micellari o particolati può stabilizzare in modo sostanziale i composti termolabili limitando il contatto con acqua, ossigeno e specie reattive e alterando l'accessibilità acido-base dei gruppi funzionali chiave.[1, 10]
Per la curcumin, la solubilizzazione micellare riduce k_obs a 0.6–0.9×10−3 h−1 ed estende l'emivita a 777–1100 h; questa stabilizzazione è attribuita alla prevenzione della deprotonazione ossidrilica all'interno del core micellare idrofobico, descritta come la prima fase della degradazione.[10]
Le emulsioni di Pickering forniscono una barriera fisica: si afferma che la presenza di una barriera fisica densa all'interfaccia ostacoli la degradazione della curcumin e, quantitativamente, il sistema che forma la barriera estende l'emivita di conservazione da 13 days a 28 days e l'emivita sotto UV da ~13 h a ~27 h.[1]
I sistemi carrier derivati da ciclodestrine forniscono un'altra strategia: i clatrati di resveratrol–β-cyclodextrin mostrano eventi termici che includono il rilascio di acqua vicino a 50 °C ed eventi di degradazione a temperature più elevate, e le energie libere di legame (es. −86 kJ·mol−1 tramite MM/PBSA) quantificano forti interazioni di inclusione.[25]
L'incapsulamento in nanospugne di resveratrol ne elimina l'endotermia di fusione DSC e fornisce fotoprotezione: il resveratrol libero mostra una degradazione del 59.7% entro 15 min sotto esposizione a UV, mentre le nanospugne di resveratrol forniscono una protezione di circa due volte superiore, coerentemente con il fatto che l'incapsulamento previene l'esposizione diretta ai raggi UV.[16]
Le dispersioni solide amorfe possono essere ingegnerizzate tramite macinazione meccanochimica; il legame a idrogeno tra la fisetin e i gruppi esterei di Eudragit® è esplicitamente identificato, fornendo una base meccanicistica per la miscibilità e l'alterata Tg che può stabilizzare contro le variazioni del comportamento di dissoluzione dipendenti dalla cristallizzazione.[15]
7.2 Selezione di eccipienti e carrier
La selezione degli eccipienti può alterare i meccanismi cinetici e i risultati di stabilità, come riportato nei sistemi di estratti vegetali essiccati a spruzzo (spray-dried) in cui l'ordine di reazione e i tempi di frazione decomposta differiscono a seconda delle miscele di eccipienti, indicando una cinetica di degradazione dipendente dall'eccipiente.[20]
I co-ingredienti proteici possono stabilizzare i flavonoidi tramite interazioni idrofobiche, abbassando i valori di k per fisetin e quercetin, e la destabilizzazione di queste interazioni indotta da SDS supporta l'interpretazione che il legame idrofobico sia un meccanismo di stabilizzazione chiave.[24]
7.3 Controlli dell'ingegneria di processo
I controlli di processo che riducono l'esposizione termica e il contatto con l'ossigeno sono direttamente supportati da molteplici set di dati.[5, 18]
Per l'NRCl, l'evidenza DSC/qNMR indica che il superamento dell'intervallo di inizio fusione (~120–130 °C) può produrre una degradazione estremamente rapida, supportando limiti superiori rigorosi per la temperatura e il tempo di residenza nelle operazioni riscaldate allo stato solido.[4]
Per l'NRH, la differenza tra l'emivita in aria e in N2 a 25 °C implica che l'inertizzazione e l'esclusione dell'ossigeno possono essere determinanti, e gli autori riferiscono che i campioni conservati sotto un velo di N2 a 4 °C non mostrano alcuna degradazione rilevabile dopo 60 days, mentre i campioni a 4 °C in aria mostrano una degradazione del ~10%.[5]
Per l'omogeneizzazione ad alto taglio, l'osservazione diretta che l'aumento dei giri al minuto (rpm) incrementa la temperatura di uscita ed è associato a una maggiore perdita di ascorbic acid sensibile all'ossidazione supporta misure ingegneristiche che limitano il riscaldamento indotto dal taglio (ad esempio, camicie di raffreddamento, tempi di miscelazione più brevi, aggiunta graduale).[13]
Per l'essiccazione a spruzzo (spray drying), l'affermazione secondo cui l'esposizione all'ossigeno e al calore riduce i (poli)fenoli e che le alte temperature possono essere dannose per i composti fenolici termolabili supporta scelte quali l'abbassamento della temperatura di uscita, quando possibile, e l'uso dell'incapsulamento per ridurre l'ossidazione e la sensibilità termica.[3]
7.4 Antiossidanti e gestione dell'ossigeno
Le strategie basate su antiossidanti e gestione dell'ossigeno sono supportate a livello meccanicistico in diversi set di dati sui polifenoli.[12, 22]
Per la quercetin a 90 °C, gli antiossidanti come la cysteine riducono k, con 200 µmol·L−1 di cysteine che produce una riduzione di k del ~43% rispetto al controllo, e l'interpretazione meccanicistica considera la stabilizzazione del quercetin quinone e gli effetti di quenching dei radicali.[22]
Per il trans-resveratrol, è esplicitamente riportato che l'ossigeno promuove reazioni radicaliche che portano alla degradazione, supportando l'adozione di atmosfere di lavorazione inerti o barriere all'ossigeno, ove possibile, per lavorazioni acquose alcaline/neutre.[12]
Nei sistemi liposomiali, è riportato che il resveratrol limiti l'ossidazione del stigmasterol neutralizzando i radicali liberi e si integri nei doppi strati lipidici aumentandone la rigidità, riducendo la permeabilità all'ossigeno e agli agenti ossidanti, migliorando così la stabilità termica e ossidativa del sistema.[35]
8. Discussione
Nell'ambito delle evidenze qui sintetizzate, il pattern quantitativo più evidente è che il microambiente chimico (pH, ossigeno, presenza di acqua) può dominare i risultati di stabilità anche a temperature modeste, e che diversi bioattivi mostrano nette discontinuità di stabilità a specifiche soglie di transizione termica.[4, 5, 12]
Per i precursori del NAD+, il set di dati NRCl evidenzia un duplice regime: in soluzione acquosa, l'idrolisi di pseudo-primo ordine può essere modellata con energie di attivazione di Arrhenius e un aumento della velocità di circa due volte ogni 10 °C, mentre allo stato solido una stretta regione intorno a 120–130 °C corrisponde alla fusione seguita immediatamente da una rapida decomposizione.[4]
Per il resveratrol, un rischio di processo dominante emerge dalla sensibilità al pH: l'emivita crolla da lunghe durate a pH acido a pochi minuti a pH elevato, mentre l'ossigeno promuove reazioni radicaliche, indicando che le operazioni ad alto sforzo di taglio che aumentano il trasferimento di ossigeno e l'alcalinità locale potrebbero essere sproporzionatamente dannose anche se la temperatura globale rimane moderata.[12]
Per i flavonoidi, l'ossidazione tramite intermedi chinonici e i meccanismi di deprotonazione pH-dipendenti (quercetin) si combinano con l'ossidazione ad alta temperatura e l'accoppiamento a catena radicalica (es. ossigeno più cholesterol), suggerendo che le formulazioni contenenti lipidi e l'esposizione all'ossigeno possono amplificare fortemente le vie di perdita ossidativa.[22, 26]
Per il curcumin, esiste una tensione meccanicistica tra le tesi guidate dall'idrolisi (in alcuni lavori sui tamponi GI) e quelle guidate dall'autossidazione (nei lavori focalizzati sulle micelle), ma entrambe convergono su un forte effetto del pH e sul ruolo protettivo dei microambienti idrofobici e della limitazione dell'ossigeno.[11, 32]
A livello di singola operazione unitaria, i processi ad alto sforzo di taglio possono agire principalmente come acceleranti indiretti generando calore e aumentando la suscettibilità ossidativa; ciò è direttamente dimostrato nell'omogeneizzazione ad alto sforzo di taglio, in cui la velocità di rotazione aumenta la temperatura di uscita e coincide con la perdita ossidativa di ascorbic acid.[13]
La HPH/UHPH introduce un'ulteriore complessità in quanto la regione della valvola impone sforzi di taglio estremi, cavitazione e turbolenza, e può generare elevate temperature locali, sebbene i tempi di residenza possano essere molto brevi (es. <0.2 s nelle descrizioni di UHPH), il che implica che i risultati chimici possono dipendere dal fatto che la degradazione sia controllata da processi radicalici rapidi, passaggi limitati dalla diffusione o passaggi di attivazione termica più lenti.[14, 34]
Infine, diverse fonti evidenziano che la modellazione della stabilità deve essere validata meccanicisticamente nella matrice pertinente: i dati sulle compresse di resveratrol mostrano un comportamento non-Arrhenius ed effetti matrice che limitano l'estrapolazione generale di Arrhenius dai test accelerati, e i marker degli estratti vegetali spray-dried mostrano ordini cinetici e tempi di frazione decomposta dipendenti dall'eccipiente.[7, 20]
9. Conclusioni
I marcatori quantitativi di transizione termodinamica (DSC/TGA) e le cinetiche di degradazione (k, t_(1/2), (E_a), energie di attivazione dipendenti dalla conversione) forniscono una base rilevante per il processo per la progettazione di condizioni di produzione che preservino la potenza di composti termolabili per la longevità e dei relativi bioattivi.[4, 8, 9]
Per i precursori del NAD+, l'NRCl mostra una stretta finestra di lavorazione termica vicino alla fusione seguita da una rapida decomposizione, mentre le cinetiche in soluzione acquosa mostrano un comportamento di pseudo-primo ordine dipendente dal pH con energie di attivazione di 75–83 kJ·mol−1 in grado di parametrizzare i modelli di esposizione termica.[4]
Per il resveratrol, il pH e l'ossigeno sono variabili dominanti, con un tempo di dimezzamento che crolla da centinaia di giorni a pH acido a pochi minuti a pH elevato, e le matrici formulative possono produrre un comportamento non-Arrhenius che complica l'estrapolazione dei test di stabilità accelerata.[7, 12]
Per i flavonoidi e i curcuminoidi, le vie di ossidazione (intermedi chinonici per la quercetin; autossidazione per la curcumin) motivano il controllo dell'ossigeno e strategie di incapsulamento idrofobico, che hanno dimostrato quantitativamente di estendere il tempo di dimezzamento di ordini di grandezza nei sistemi micellari e in modo significativo nelle emulsioni di Pickering prodotte mediante miscelazione ad alto taglio.[1, 10, 22, 32]
Per le operazioni unitarie ad alto taglio, le evidenze disponibili mostrano che il taglio può elevare la temperatura e promuovere l'ossidazione (miscelazione ad alto taglio) e che i processi ad alta pressione basati su valvole generano taglio estremo e cavitazione, con la pressione, il numero di passaggi e la temperatura di ingresso come variabili di stress chiave; queste considerazioni supportano l'implementazione della mappatura tempo–temperatura–taglio e della PAT utilizzando analisi indicative di stabilità.[12–14]
Conflitto di interessi
Gli autori dichiarano l'assenza di conflitti di interesse.[20]
